Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft eine Zündkerze im Grundaufbau für Verbrennungsmotoren umfassend ein metallisches Gehäuse mit frontseitig angeordneter Masseelektrode, einen seitlich im Gehäuse angeordneten Drucksensor zur Ermittlung eines Brennraumdrucks mit einen neben dem Drucksensor im Gehäuse angeordneten, als elektrischen Isolator wirkenden Keramikkörper, der eine Mittelelektrode umfasst, wobei der Keramikkörper eine vom Brennraum her betrachtet vordere Einspannschulter sowie einen hinteren Anschlag aufweist zum Einspannen des Keramikkörpers im Gehäuse.
Stand der Technik
[0002] Derartige Zündkerzen sind bereits im Handel bekannt. Um den Drucksensor neben dem Keramikkörper im Gehäuse unterzubringen, weist der Keramikkörper im vorderen Bereich einen reduzierten Aussendurchmesser auf. Dies hat einerseits den Nachteil, dass die Stelle der Verjüngung eine sehr schwache Stelle des Keramikkörpers ist, die bei mechanischer Belastung einer hohen Bruchgefahr ausgesetzt ist. Andererseits ist durch den reduzierten Aussendurchmesser auch die Wandstärke des Keramikkörpers reduziert, was bei einer elektrischen Belastung durch Zündspannung zu einer hohen Durchschlagsgefahr führt. Solche Zündkerzen sind ungenügend für den Gebrauch.
Darstellung der Erfindung
[0003] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Zündkerze im Grundaufbau oben beschriebener Art anzugeben, welche eine erhöhte Durchschlagsicherheit und eine erhöhte mechanische Festigkeit aufweist.
[0004] Die Aufgabe wird gelöst durch die Kennzeichen des unabhängigen Patentanspruchs.
[0005] Die der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass der Aussendurchmesser des Keramikkörpers verteilt über einen Bereich, der mehr als die Hälfte des Bereichs zwischen dem hinteren Anschlag und der vorderen Einspannschulter umfasst, abnimmt. Dadurch, dass der Durchmesser nicht abrupt in der Nähe des hinteren Anschlags sondern verteilt über einen grossen Bereich abnimmt, nimmt die Biegefestigkeit zu und die Bruchgefahr des Keramikkörpers wird stark reduziert. Insbesondere ist die im Stand der Technik baulich bedingte gefährdete Bruchstelle eliminiert. Zudem wird durch den so erreichten grösseren Aussendurchmesser des Keramikkörpers seine Wandstärke erhöht, was sich direkt auf eine grössere Durchschlagfestigkeit auswirkt.
Durch die kontinuierliche oder in mehreren kleinen Stufen verlaufene Abnahme des Aussendurchmessers kann die Isolationsdicke des Keramikkörpers an jeder Stelle optimal den baulichen Gegebenheiten angepasst sein. Da die minimale Wanddicke des Keramikkörpers für die Durchschlagfestigkeit massgebend ist, soll diese maximal sein.
[0006] In den Unteransprüchen sind weitere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0007] Im Folgenden wird die Erfindung unter Beizug der Zeichnungen näher erklärt. Die Bezugszeichen haben für alle Zeichnungen dieselbe Bedeutung. Es zeigen
<tb>Fig. 1<sep>eine schematische Darstellung im Schnitt einer Zündkerze nach dem Stand der Technik;
<tb>Fig. 2<sep>eine schematische Darstellung im Schnitt einer erfindungsgemässen Zündkerze;
<tb>Fig. 3<sep>diverse erfindungsgemässe Aussenkonturen zwischen der vorderen Einspannschulter und dem hinteren Anschlag.
Wege zur Ausführung der Erfindung
[0008] Die Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung im Schnitt eine Zündkerze 1 für Verbrennungsmotoren nach dem Stand der Technik. Der Brennraum 19 befindet sich rechts im Bild. Die Zündkerze 1 umfasst ein metallisches Gehäuse 2 mit frontseitig angeordneter Masseelektrode 3, gegen den Brennraum 19 hin ausgerichtet. Seitlich im Gehäuse 2 ist ein Drucksensor 4 zur Ermittlung eines Brennraumdrucks angeordnet mit einem Sensorstecker 5. Andere Bauweisen, in denen kein Stecker integriert ist, sind auch bekannt. Diese haben in der Regel den Nachteil, dass ein Sensorkabel aus der Zündkerze herausragt. Beim Einbau der Zündkerze darf dieses nicht beschädigt werden. Nachteilig ist, dass das Kabel nicht einzeln getauscht werden kann.
[0009] Neben dem Drucksensor 4, ebenfalls im Gehäuse 2 angeordnet, befindet sich ein Keramikkörper 6, der als elektrischer Isolator wirkt für eine Mittelelektrode 7, welche mittig durch diesen Keramikkörper 6 verläuft. Der Keramikkörper 6 weist eine, vom Brennraum her betrachtet, vordere Einspannschulter 8 sowie einen hinteren Anschlag 9 auf. Diese dienen dem Einspannen des Keramikkörpers 6 im Gehäuse 2 mittels eines Schraubelements 10.
[0010] Im vordersten Bereich des Keramikkörpers 6, vor der Einspannschulter 8, ist der Keramikkörper 6 in der Regel konisch oder ähnlich abfallend. Dieser Bereich bestimmt den Wärmewert der Zündkerze und ist für die vorliegende Erfindung ohne Bedeutung.
[0011] Im Bereich B zwischen der vorderen Einspannschulter 8 und dem hinteren Anschlag 9 ist an einer Stelle nahe dem hinteren Anschlag 9 ein abrupter Absatz 20 angebracht, wodurch der Keramikkörper 6 im vorderen Bereich einen geringeren Platzbedarf aufweist. Somit kann der Keramikkörper 6 mit einer Achse 14 der Mittelelektrode 7 weg von einer Achse 15 der Zündkerze 1 um einen Abstand A verschoben im Gehäuse 2 angeordnet sein. Dies ergibt einseitig im Gehäuse 2 zusätzlichen Platz, in dem der Drucksensor 4 untergebracht werden kann.
[0012] Ein Nachteil einer solchen Zündkerze 1 nach Fig. 1 ist die Dünnwandigkeit der Keramik im Teil des Keramikkörpers 6 zwischen der vorderen Einspannschulter 8 und dem Absatz 20, als Konsequenz des reduzierten Aussendurchmessers DK, weil der Drucksensor 4 und/oder die dafür notwendige Kontaktierung daneben Platz finden muss. Die Dünnwandigkeit erhöht das Durchschlagsrisiko.
[0013] Ein weiterer Nachteil einer solchen Zündkerze 1 nach Fig. 1 ist die hohe Bruchgefahr beim Absatz 20. Bei starken Vibrationen ist diese Stelle einer hohen Belastung ausgesetzt durch die Kräfte, die an der Einspannschulter 8 und am Anschlag 9 angreifen. Bereits ein kleiner Haarriss erhöht das Durchschlagsrisiko an dieser Stelle massiv.
[0014] Zudem bewirkt der Abstand A, dass die Zündung im Brennraum 19 nicht an der Stelle stattfindet, an der eine Zündung einer Zündkerze stattfindet, welche keinen Drucksensor 4 umfasst. Somit ist mit dieser Zündkerze 1 nach Fig. 1keine Normalsituation nachgestellt.
[0015] Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung im Schnitt einer erfindungsgemässen Zündkerze 1. Sie umfasst ebenfalls ein Gehäuse 2 mit frontseitiger Masseelektrode 3 sowie darin nebeneinander angeordnet einen Drucksensor 4 mit Sensorstecker 5 und einen Keramikkörper 6 mit Mittelelektrode 7. Der Keramikkörper 6 weist wiederum eine vordere Einspannschulter 8 sowie einen hinteren Anschlag 9 auf, mittels denen der Keramikkörper 6 in dem Gehäuse 2 mit Hilfe einer Schraubverbindung 10 eingespannt werden kann. Auch hier kann alternativ kein Sensorstecker 5 am Gehäuse 2 angebracht sein, womit lediglich eine Kabelführung aus dem Gehäuse 2 führt.
[0016] Im Gegensatz zum Stand der Technik nimmt in dieser erfindungsgemässen Ausführungsform der Aussendurchmesser DKdes Keramikkörpers 6 verteilt über einen Bereich 11, der mehr als die Hälfte des Bereichs B zwischen dem hinteren Anschlag 9 und der vorderen Einspannschulter 8 umfasst, ab.
[0017] In der Fig. 3 sind verschiedene Aussenkonturen eines erfindungsgemässen Keramikkörpers im Bereich B angegeben. In Fig. 3aist die Aussenkontur im gesamten Bereich B parabolisch, womit der abfallende Bereich 11 den gesamten Bereich B ausmacht. Diese Aussenkontur führt zur besten Biegefestigkeit des Keramikkörpers 6. Fig. 2zeigt ebenfalls eine solche parabolische Aussenkontur.
[0018] Eine konische Aussenkontur ist in Fig. 3bund 3cgezeigt, wobei der abfallende Bereich 11 in Fig. 3b den gesamten Bereich B ausmacht, in Fig. 3cjedoch nur etwa die Hälfte des Bereichs B. In Fig. 3d, 3ed und 3f umfasst der abfallende Bereich 11 ebenfalls nur etwa die Hälfte des Bereichs B, wobei der Abfall hier in zwei Stufen (Fig. 3d, e) oder mehreren Stufen (Fig. 3f) verläuft, zwischen welchen die Aussenkontur zylindrisch verlaufen kann. Die Stufen können kantig oder abgerundet beginnen und/oder enden und sie können konisch verlaufen wie in Fig. 3d oder senkrecht zur Achse 14, wie in Fig. 3e. Kombinationen der genannten Merkmale sind auch möglich.
Entscheidend für eine erfindungsgemässe Aussenkontur ist jedoch, dass der gesamte abfallende Bereich 11, der definiert ist als Bereich zwischen dem ersten und dem letzten Abfall innerhalb des Bereichs B, ungeachtet mittlerer zylindrischer Bereiche darin und ausgenommen von der Einspannschulter 8 und dem hinteren Anschlag 9 selbst, mindestens 50% des Bereichs B ausmacht. Vorzugsweise soll der Bereich 11 mindestens 70-90% des Bereichs B ausmachen.
[0019] Durch die erfindungsgemässe Ausführungsform wird verhindert, dass, wie im Stand der Technik, wo nur ein einziger Absatz des Aussendurchmessers DK vorhanden ist, die gesamte Durchmesserreduktion in einem sehr kleinen Bereich stattfindet, was erstens die Festigkeit des Keramikkörpers reduziert und zweitens das Durchschlagrisiko bei hohen Spannungen erhöht.
[0020] Die in Fig. 2 dargestellte Zündkerze 1 umfasst, abgesehen vom genannten Grundaufbau, auch eine Isolationshülse 12. Diese umhüllt den Keramikkörper 6 im hinteren Bereich bis zu einem Anschluss 17. Der Grundaufbau kann mit einer solchen Isolationshülse 12 mit wählbarem Aussendurchmesser DI ausgestattet werden. Dadurch kann derselbe Grundaufbau für verschiedene Anschlüsse 17 einfach angepasst werden, da verschiedene Hersteller von Zündkerzen verschiedene Aussendurchmesser Di der Isolationshülse 12 bei den Anschlüssen 17 verlangen. Die auf die Zündkerzen 1 aufgesetzten Zündkerzenkappen müssen mit ihren Gummilappen die Isolationshülsen 12 gut umschliessen, damit wiederum ein Durchschlagen verhindert wird. Somit können die erfindungsgemässen Zündkerzen 1 mit Zündspannungen von mehr als 30 kV gespiesen werden, ohne dass mit einem Durchschlag gerechnet werden muss.
[0021] Im Keramikkörper 6 kann zudem ein Entstörwiderstand 13 eingebaut werden, der in einer herkömmlichen Anordnung nach dem Stand der Technik nur ungünstig untergebracht werden kann. Der Platz im Innern des Keramikkörpers 6 wird durch die langsame Abnahme des Aussendurchmessers DK des Keramikkörpers 6 im genannten Bereich 11 geschaffen, wobei keine Einbusse der Isolation in Kauf genommen werden muss. Der Platz im Innern des Keramikkörpers 6 kann vorzugsweise an deren dicksten Stelle geschaffen werden, damit die minimale Wandstärke, welche massgebend ist für die Durchschlagsfestigkeit, maximal ist.
[0022] Durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung des Keramikkörpers 6 kann der Keramikkörper 6 in der Regel wieder so weit ins Zentrum der Zündkerze 1 gerückt werden, dass die Achse 14 der Mittelelektrode 7 um nicht mehr als 1 mm von der Achse 15 der Zündkerze 1 beabstandet ist. Dadurch kann eine Zündung mit der erfindungsgemässen Zündkerze 1 mit Drucksensor 4 sehr nahe an der Stelle stattfinden, an der eine Zündung mit einer Zündkerze ohne Drucksensor normalerweise stattfinden würde.
[0023] Der Sensorstecker 5 ist eine besondere Herausforderung zur Unterbringung im Gehäuse 2. Zündkerzen mit Drucksensoren aber ohne Sensorstecker sind auch bekannt. Bei diesen Modellen verläuft ein Sensorkabel vom Drucksensor her direkt weiter aus dem Gehäuse heraus und wird ausserhalb an ein Auswertegerät angeschlossen. Diese Modelle haben weniger Probleme, weil sie keinen Stecker unterbringen müssen. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass dabei das Sensorkabel nicht ausgetauscht werden kann. Die Ausgestaltung einer erfindungsgemässen Zündkerze 1 kann insbesondere mit oder ohne Sensorstecker 5 sein.
[0024] Eine weitere Herausforderung ist der Typ des Drucksensors. Prinzipiell können insbesondere optische und piezoelektrische Drucksensoren verwendet werden. Optische Drucksensoren sind kleiner und daher einfacher in einer Zündkerze unterzubringen. Andererseits verschmutzen sie leicht durch Russablagerung und sind bezüglich ihrer Funktionstüchtigkeit weniger gut untersucht. Piezoelektrische Drucksensoren sind grösser, und daher schwieriger unterzubringen, aber bezüglich ihres Verhaltens sehr gut bekannt.
[0025] Zwischen dem Drucksensor 4 und dem Sensorstecker 5, falls ein solcher eingebaut ist, verläuft eine Kontaktierung 16, mittels welcher die ermittelten Daten übertragen werden können. Vorzugsweise umfasst die Kontaktierung 16 nur eine Messleitung, während die Masseleitung über das metallische Gehäuse 2 verläuft. Die Messleitung muss dazu allerdings hochisoliert sein. Eine herkömmliche Kontaktierung mit zwei Messleitungen ist auch möglich. Erfindungsgemäss ist die Kontaktierung 16 aussermittig mit dem Sensorstecker 5 verbunden. Dadurch kann erneut Platz eingespart werden, da der Sensorstecker 5 hinter einem Gehäuseabsatz 18 untergebracht werden kann, wo das Gehäuse einen grösseren Aussendurchmesser aufweist als vor diesem Gehäuseabsatz 18.
Durch eine aussermittige Anbringung der Kontaktierung 16 an den Sensorstecker 5 kann der Sensorstecker 5 weiter aussen am Gehäuse 2 angebracht werden. Dadurch kann der Keramikkörper 6 an dieser Stelle wiederum einen grösseren Aussendurchmesser DK aufweisen. Zudem ist die aussermittige Anbringung an den Sensorstecker 5 von Vorteil, weil so eine im Wesentlichen gerade Kontaktierung realisiert werden kann, ohne dass eine Kröpfung in der Kontaktierung 16 vorhanden sein muss. Diese Verbindung kann steif ausgestaltet und vorzugsweise steckbar sein. Vorteile einer solchen Kontaktierung liegen beispielsweise in ihrer hohen Resonanzfrequenz.
Bezugszeichenliste
[0026]
<tb>1<sep>Zündkerze
<tb>2<sep>Gehäuse
<tb>3<sep>Masseelektrode
<tb>4<sep>Drucksensor
<tb>5<sep>Sensorstecker
<tb>6<sep>Keramikkörper
<tb>7<sep>Mittelelektrode
<tb>8<sep>Einspannschulter
<tb>9<sep>Anschlag
<tb>10<sep>Schraubelement
<tb>11<sep>Bereich, in dem die Aussenkontur abnimmt
<tb>12<sep>Isolationshülse
<tb>13<sep>Entstörwiderstand
<tb>14<sep>Achse der Mittelelektrode
<tb>15<sep>Achse der Zündkerze
<tb>16<sep>Kontaktierung
<tb>17<sep>Anschluss
<tb>18<sep>Gehäuseabsatz
<tb>19<sep>Brennraum
<tb>20<sep>Absatz
<tb>A<sep>Abstand der Achsen
<tb>B<sep>Bereich zwischen vorderer Einspannschulter und hinterem Anschlag
<tb>DK<sep>Aussendurchmesser Keramikkörper im vorderen Bereich 11
<tb>DI<sep>Aussendurchmesser Isolationskörper